基于单片机的花卉物流实时灌溉系统设计

（东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

花卉物流是以花卉运输为主体的物流活动，根据用户的实际要求，将花卉从所供应的地点经过一系列的措施流动到接收地点的过程[1]。随着我国花卉产业的快速发展，花卉物流业已经与传统物流业逐渐分离成为一个独立的物流行业。随着电子商务、物联网技术的日益完善与成熟，花卉物流产业蒸蒸日上[2-3]。

然而花卉物流发展并不顺利，如今花卉物流依然是制约花卉产业发展的重要因素。物流运输过程中对花卉土壤水分含量的监测管理，进行实时灌溉，从而满足长途物流运输过程中花卉所需土壤湿度变得愈发重要。因此如何使花卉运输状态监测与管理方式变得简单可靠，成为花卉物流产业管理者面临的一个严峻挑战[4-12]。

当务之急是开发出一套更完善的花卉物流保障系统，对花卉物流运输过程中土壤湿度状态进行监测，并为花卉进行实时灌溉提供便利条件，从而降低花卉在物流运输过程中的损耗[13]。为此本文应用具有数据运算与处理能力的STC89C52RC 单片机作为控制核心，开发设计一款新型花卉物流实时灌溉系统，对物流运输过程中的花卉土壤进行湿度监测，从而按照预设适宜湿度对花卉进行实时灌溉，最终能够实现减少物流运输过程中花卉损耗、提高花卉运输成活率、降低运输成本的目的。

1 系统功能简介

花卉物流实时灌溉系统是利用传感器采集数据，再用单片机控制的智能灌溉系统，包括土壤湿度采集、控制系统和显示模块，本系统实现了远距离运输过程中花卉的自动灌溉，提高了花卉的成活率。传感器检测到的湿度参数传到单片机芯片上，通过软件把参数值显示到显示屏上。通过单片机把传感器收集的土壤湿度参数和设定的值作比较，判断是否超过设定值，以此判断是否需要浇水，如果显示需要浇水，控制系统驱动水箱阀门浇水，如果不需要，则跳过驱动程序，进行循环采集、传输和比较，直到需要浇水。显示器显示的是当前土壤湿度值。

本系统主要由新型花卉实时灌溉装置以及软件设计构成。新型花卉实时灌溉装置对运输花卉的土壤湿度信息进行监测采集和显示，同时根据预先设置的适宜湿度调整水箱阀门对运输花卉进行实时灌溉，从而达到适宜运输状态。软件设计主要实现系统初始化、子模块初始化、湿度读取及显示，同时能够实现按键扫描功能，湿度处理判断功能和水箱阀门控制功能等。

2 硬件设计

新型花卉实时灌溉装置主要由控制核心STC89C52RC 单片机、土壤湿度传感器ofc-28、模数转换模块A/D 转换器以及一个3 位LED 显示模块，3个独立按键作为输入模块、水箱以及供电模块所组成，其装置组成如图1所示。

图1 新型花卉实时灌溉装置组成

2.1 土壤湿度传感器模块

土壤湿度传感器ofc-28由不锈钢探针和防水探头构成，可长期埋设于土壤和堤坝内使用，对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量。与数据采集器配合使用，可作为水分定点监测或移动测量的工具对土壤容积含水量进行测量，主要用于土壤墒情检测以及农业灌溉和林业防护。湿度传感器基片上覆盖了一层用感湿材料制成的膜，当盆栽土壤中的水分子吸附在感湿膜上时，感应原件的电阻率和电阻值都会发生相应变化，传感器通过线路元件电阻值的差异来反映土壤不同湿度值[14]。湿度传感器输出的信号与A/D处理器相连，能够获得更加精确的数值。当湿度传感器检测到湿度发生变化时，其内部对湿度敏感电容的大小也会随之变化，其值与环境的湿度成正比。相应的值可以直观地指示其湿度，并允许收集土壤湿度数据，为后续工作提供数据支持。湿度检测电路原理图如图2所示。

图2 湿度检测电路原理图

2.2 A/D处理器模块

单片机能够直接识别和处理的是数字信号，而传感器输出的是模拟信号，为了让信号能够被单片机处理，需要增加A/D转换器。A/D处理器连接单片机，转换单片机输出的湿度信号为电信号，并生成数值。A/D 模数转换器是将输入电压信号转换为输出数字信号的元件。湿度传感器输出的就是电压信号，A/D 转换器将其转换为可供识别的数字信号，选择植物生长的最小土壤湿度作为转换标准，转换器输出的数值量则表示输入信号相对于参考信号的大小[15]。本系统采用ADC0832 型号的模数转换器，ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。它体积小，兼容性好，性价比高。ADC0832 微控制器是一个带串行接口的8位A/D转换器。由于具有双重数据输出功能，因此可以减少数据校准期间的数据错误，转换速度快，并且稳定性高。A/D处理器接口电路如图3所示。

图3 A/D处理器电路

2.3 按键模块

按键模块采用独立式键盘，采用软件方式消抖，共设置3 个按键，使用3 个按键分别控制阈值的上升、下降、确认。点按UP 一下，预设阈值就会上升1%；点按DOWN 一下，预设阈值就会下降1%；点按OK，确认预设阈值，使单片机加载设定的阈值[16-17]。按键电路如图4所示，按键的防抖功能由软件实现。

图4 按键电路

2.4 单片机模块

单片机又称单片微控制器，能够把一个计算机系统集成到一个芯片上。它的体积小、质量轻、价格便宜，为实验研究提供了便利条件。本装置采用STC89C52RC型号的单片机作为系统主体，该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，结构简单，成本低且体积较小。

单片机的STST86C52RC 的9 号引脚RST 是单片机复位端口，且单片机执行复位过程的必要条件是操作期间高电平会通过RST 端口，而更高的电平必须大于两个周期，复位电路如图5 所示。复位后，CPU可以从程序的存储器中启动外部复位电路。当操作出现错误时，可以通过执行复位来重启单片机。由于单片机需要通过RS232 和上位机通讯，因此需要增加串口控制单元，单片机控制串口电路如图6所示。

图5 单片机的复位电路

图6 单片机的总控制电路

2.5 显示器模块

液晶显示器的显示通过液性原理来实现，使得电压能够在控制显示区时，液晶就可以显示图像。液晶显示器特别薄，能够在大规模电路情况下直接被驱动运行，实现彩色显示[18]。其中液晶显示的流程如图7所示。

图7 液晶显示流程图

2.6 电源模块

电源模块为整个新型花卉实时灌溉装置提供所需的稳定电压，使得其他所有模块能够正常进行工作，从而保障系统高效稳定运行。由于其节能、高效、经济性强和环保等特点，所以电源模块具有重要的应用意义。

2.7 水箱阀门模块

水箱阀门根据土壤湿度传感器检测收集到的土壤湿度数据由单片机进行控制，当湿度传感器检测到花卉土壤中湿度低于系统设置适宜湿度范围的下限时，会及时反馈缺水信号，由单片机控制水箱的阀门打开，对该区域花卉进行灌溉；当湿度传感器检测到花卉土壤中湿度高于系统设置适宜湿度范围的上限时，控制水箱阀门关闭。从而达到自动灌溉的目的。

3 软件设计

新型花卉实时灌溉装置的软件主要实现系统初始化、子模块初始化、湿度读取及湿度显示，按键扫描，湿度处理判断和水箱阀门控制，目的是使整个系统持续有效发挥作用。

具体流程为当土壤湿度检测器获取湿度信号后，该信号传递给A/D 处理器转化成数字信号，由单片机对湿度传感器收集的数据进行计算与分析。当湿度传感器检测到的湿度低于设置的适宜湿度范围的下限时，由单片机控制水箱的阀门打开，对盆栽进行灌溉，经灌溉后，湿度传感器监测的湿度达到设置的适宜温度范围的上限时，单片机控制水箱的阀门关闭。软件的设计流程如图8所示。

图8 下位机设计流程图

4 系统应用

新型花卉实时灌溉系统中的新型花卉实时灌溉装置可以安装在用于花卉运输的货车上、暂时转存货物的仓库里、流水线上的分拣机暂存区等位置，放置完成后，打开实时灌溉的装置开关，通过显示器上的功能选择显示，在按键模块上操作输入，点击打开项目、运行程序，进入登录页面，输入用户名及密码登录成功后系统自动跳转到工作页面，进行信息窗口显示，在此界面进行设置及对运输花卉的湿度范围进行输入进行事先预置。

完成上述操作后，新型花卉实时灌溉系统开始工作，当进行花卉运输、储存时，系统将对土壤环境湿度数据进行监测、采集和显示，新型花卉实时灌溉装置可根据不同情况自动对花卉进行实时灌溉，从而实现花卉灌溉管理的自动化和智能化。

5 结语

新型花卉实时灌溉系统采用单片机为控制核心、协同土壤湿度传感器模块、A/D转换器模块、电源电路模块、按键输入模块、水箱以及显示器模块，可以在物流运输过程中对花卉的土壤信息进行监测并实施自动灌溉，维持花卉的最佳生存环境，以实现对花卉物流有效的管理，解决了传统物流运输过程中出现水分短缺而导致盆栽死亡等损耗问题。